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一种间接成型矩形管的孔型设计方法
双击自动滚屏 发布者:www.tywfgg.com 发布时间:2010/6/1 阅读:2508次 【字体:

一种间接成型矩形管的孔型设计方法

     对现有先焊接为圆管后成型为矩形管的孔型设计方法进行了评述。提出一种新的矩形管孔型设计方法——圆心角互余法。它以矩形管的直线段长边、短边和过渡圆角所对应的管坯弧长在变形过程中的比值保持不变为设计原则,在四分之一圆周上使三部分弧长对应的圆心角之和始终互为90°。该方法设计简单,变形参数易于设定和调整,且成型精确,有利于提高产品的尺寸精度。
  

主题词 焊管  矩形管  孔型设计

  焊管生产依所得断面形状不同,通常分为圆管与异形管。圆管与异形管在成型方面的区别只是在沿带钢宽度上曲率的改变。然而异形管却以它丰富多彩的断面变化适应了更广泛的综合性技术要求。在飞机、汽车、船舶等尤其要求减轻自重的地方,首先提出了对异形管的需要,在建筑、家具、器械等方面也日益普及,其品种与数量增长之快使之成为轧钢生产中较活跃的部分。因此,在进行孔型设计时应努力提高异形管的尺寸精度,充分发挥它的经济性。

1 先成圆后成矩的异形管孔型设计

  由于许多冷弯型钢成型机组是利用现有直缝焊管机组或用其改装而成的,因此采用圆管再成型异形管具有很大的实际意义。这种先焊接后成型方法是在焊管生产基础上发展起来的。由于采用此法可充分利用已有的成型设备和工具,因而大大减少了基建投资,而且其焊接质量较高,金属损耗少。在需要生产几种异形管、所用带钢尺寸又允许统一时(如几种空腹钢窗管),仅需一套成型轧辊,然后在整形机架(圆管的定径机架)上换辊即可获得不同断面,从而使更换品种十分简便,并可大量减少轧辊的加工和储备。

  先焊接后成型的矩形管生产工艺中主要由定径机架完成成型,定径机一般为两辊轧机,其中有水平机架和立辊机架。目前矩形管孔型设计主要有两种,一种是水平机架按箱型孔设计,第一架为椭圆孔,其它各架为近似矩形孔[1],其孔型断面由圆弧构成,而且圆弧半径逐架递增,所有孔型的侧壁与底部相接处之圆角半径等于成品断面的圆角半径。矩形管总延伸系数为1.05左右,主要分配在平辊上,立辊的变形量很小,其作用是压下矩形管的短边。采用这种设计方法,计算较复杂,且计算值不够精确,需不断修正孔型周长。另一种是采用变形角来设计[2],从圆管到矩形管可看成从180°到90°角的弯曲变形,所以变形角θ能准确地反映角部和边部的变形程度。设计过程中,考虑尺寸精度和金属加工硬化的影响,通常变形角的分配,开始和中间道次大些,然后逐渐减小。在直接用圆弧相交构成的孔型中,管坯的圆角部分不可能充满孔型,因此孔型周长与管坯周长不等。为了保证尺寸精度,需对孔型圆角部分进行修正计算。所以该法比其它方法具有较高的设计精度。但是,由于叠代计算量较大,这种方法较适于用计算机进行孔型设计。如果使用水平、垂直方向同时变形的万能机架,可直接用变形角θ进行孔型设计。对于目前普遍使用的焊管设备,管坯在两个方向交替受力,因此需偏转变形角θ,才能满足设计需要。采用偏转系数K进行偏转计算,K值由实践中确定,如果偏转系数设定和变形角分配不合理,会造成相邻孔型的压下和咬入条件不满足,或圆心角与孔型半径的变化规律不符合要求。

2 圆变矩的互余孔型设计方法

  2.1 孔型设计理论依据
  设计原则:矩形管的长边、短边及过渡圆角所对应的管坯弧长在变形过程中基本保持不变。
  当圆管变形后,对应于矩形管长边、短边及过渡圆角的各段弧长间的比值保持不变且相切。确定了长边和短边对应圆弧的圆心角α′1和α′2后,它们的孔型半径R1和R2、过渡圆角半径r及其对应的圆心角θ′,即有唯一值与α′1和α′2对应,可以证明,α′1/2、α′2/2与θ′之间的关系为互余,即α′1/2+α′2/2+θ′=90°(见图1(b))。

 

图1 圆管到矩形管的变形过程

  图1是圆管到矩形管的变形过程。++共占圆管周长的四分之一,变形前(图1(a)):对应矩形管长边的一半,圆心角为α1/2;对应矩形管短边的一半,圆心角为α2/2;对应矩形管的过渡圆弧,圆心角为θ;变形后(图1(b)):对应矩形管长边的一半,圆心角为α1′/2;对应矩形管短边的一半,圆心角为α2′/2;对应矩形管的过渡圆弧,圆心角为θ′;存在=,=,=,且矩形管长边的一半,短边的一半及过渡圆弧对应的圆心角之和恒为90°。

  2.2 机架布置
  机架布置依次为平辊→立辊→平辊→万能机架→万能机架→土耳其头→土耳其头,其中只有前5架参与变形,后两架土耳其头只起矫正作用(因为在成型矩形管时,可能会出现长边凸出或短边凹陷),与其前一架孔型一致。
  2.3 初步分配各机架变形量
  由于各机架情况不同,变形量不能平均分配。在圆心角互余法孔型设计中,变形时是以最终成型后直线长、短边所对应的圆心角的变化来体现的,要根据具体情况来合理分配。其分配原则:①平辊为传动辊,变形量可大些;②立辊为非传动辊,变形量可小些;③万能机架是精成型架,为了保证产品质量,其变形量应较小;④考虑管子的冷加工硬化程度,各机架变形量总体上应依次减少。
  2.4 设计举例
  以KQJ80×60×5为例(单位:mm),根据方矩形管标准外圆弧弯曲半径[3],取r=12mm,总延伸系数μ=1.04。机架数N=7,平—立—平—万—万—土—土布置,成型道次n=5。
  2.4.1 基本参数计算
  如图1(c)所示,矩形管外周长为:L=2(A-2r)+2(B-2r)+2πr=259.36(mm)
  圆管外径为:
  Dc=L/π=82.60(mm)
  圆管成矩形管时应考虑一定的定径量,则实际焊接的圆管外径为:
  D=μL/π=85.90(mm)
  圆管周长为:
  L0=πD=269.73(mm)
  所以定径量为:
  ΔR=(D-Dc)/2=1.65(mm)
  各机架的孔型外周长及各段弧长在变形过程中基本不变,以保证精确成型。虽然各机架均有一定的定径量,但因定径量很小,可假设其在各机架均匀分布,则孔型外周长为:
  Li=2π[R-(ΔR/n)i]
式中 n——成型机架数;
   i——成型机架序号。
  长边对应弧长为:L1i=[A-2r/L]Li=0.216Li
  短边对应弧长为:L2i=[B-2r/L]Li=0.139Li
  过渡圆弧对应弧长为:
  L3i=[(πr/2)/L].Li=0.073Li
  变形前长边对应圆心角为:
  α1=0.216L0/R×57.3=78°
  变形前短边对应圆心角为:
  α2=0.139L0/R×57.3=50°
  变形前过渡圆弧对应圆心角为:
  θ=0.073L0/R×57.3=26°
  由此可知,在整个变形过程中,θ由26°变至90°,α1由78°变至0°,α2由50°变至0°。
  对称轴上高度方向总减径量为:
  ΔH=D-B=25.9(mm)
  对称轴上宽度方向总减径量为:
  ΔB=D-A=5.90(mm)
  各道次管坯周长及相应直线段(长边、短边)、圆角过渡段对应弧长的计算结果见表1。

表1 各道次孔型参数计算结果
 


机架
序号
i 孔型
类型 管坯
周长
(mm)
Li 直线段长
短边对应
弧长/(mm)
L1i  L2i 过渡圆
角对应
弧长/(mm)
L3i 圆心角

(°)
α1i' α2i' θi' 孔型半径
长边 短边
(mm)
R1i   R2i 过渡圆
弧半径
(mm)
ri 孔型半径圆
心偏心位置
(mm)
e1i  e2i 孔型尺寸
高度 宽度
(mm)
Hi   Bi 对称轴上
道次减径量
(mm)
ΔHi  ΔBi
0 焊接圆管 269.73 58.26 37.49 19.69 78 50 26 42.95 42.95 42.95 0 0 85.90 85.90 0  0
1 平辊 267.65 57.81 37.20 19.54 49 25 53 67.60 85.26 21.13 28.41 43.34 78.38 83.84 7.52 2.05
2 立辊 265.58 57.36 36.92 19.39 39 18 61.5 84.28 117.58 18.07 46.85 76.14 74.86 82.78 3.52 1.06
3 平辊 263.51 56.92 36.63 19.24 22 8 75 148.25 200.00 14.70 113.97 219.23 68.56 81.54 6.30 1.24
4 万能机架 261.44 56.47 36.34 19.08 10.8 3.2 83 299.60 650.71 13.17 267.38 610.40 64.44 80.62 4.12 0.92
5 万能机架 259.36 56.02 36.05 18.93 0  0  90 ∝  ∝ 12.05 ∝  ∝ 60.00 80.00 4.44 0.62
6 土耳其头 259.36 56.02 36.05 18.93 0  0  90 ∝  ∝ 12.05 ∝  ∝ 60.00 80.00 0  0
7 土耳其头 259.36 56.02 36.05 18.93 0  0  90 ∝  ∝ 12.05 ∝  ∝ 60.00 80.00 0  0

  2.4.2 孔型设计
  圆成矩过程中,长边直线段对应的圆心角α′1由78°变至0°;短边直线段对应的圆心角α′2由50°变至0°;过渡圆弧对应的圆心角θ′由26°变至90°。因此只要设定α′1和α′2即可求出该道次的孔型参数。图2是平辊机架和万能机架孔型示意图。
 

图2 平辊机架和万能机架孔型示意图

  设计步骤:
  ① 根据变形量分配原则,设定α′1i和α′2i;
  ② 按α′1i/2+α′2i/2+θ′=90°的关系,求出θ′;
  ③ 计算孔型半径R1i、R2i
    R1i=L1i×57.3/α1i′
    R2i=L2i×57.3/a′2i
  ④ 计算过渡圆弧半径ri
      ri=L3i×57.3/θ′
  ⑤ 计算孔型半径圆心至孔型中心距离e1i、e2i
  由图1(b)可得:
长边偏心距:e1i=(R1i-ri)cos(α1i′/2)-(R2i-ri)sin(a2i′/2)
短边偏心距:e2i=(R2i-ri)cos(α2i′/2)-(R1i-ri)sin(α1i′/2)
  ⑥ 计算孔型高度Hi、孔型宽度Bi
    Hi=2(R1i-e1i)
    Bi=2(R2i-e2i)
  ⑦ 计算对称轴上道次减径量ΔHi、ΔBi
    ΔHi=Hi-1-Hi
    ΔBi=Bi-1-Bi
  各道次孔型参数计算结果见表1。
  2.5 矩形管孔型设计圆心角互余法特点
  ① 该法计算简单,圆心角设定和调整容易,成型精确;
  ② 注意矫直机架的设置,变形量按参加变形的道次分配;
  ③ 为了便于加工,当最后道次的孔型半径过大时,可按直线处理,侧壁取斜度;
  ④ 采用了四辊万能机架,可减少角部应力,使轧辊表面与管坯表面的运动速度均衡,减少了滑移,从而可降低工具磨损和改善产品表面质量。并且容易成角,可保证产品尺寸形状;
  ⑤ 如果是采用该法进行圆管变方管的孔型设计,因方管的边长相等就简便多了,只需将a1′=a2′即可。

作者:

          刘荣佩(昆明理工大学材料工程系 昆明 650093)
          张林洪(云南工业大学电力工程学院 昆明 650051)

参考文献

1,李连诗.异型管制造方法.北京:冶金工业出版社,1994:61~68
2,孙佳.方矩型管孔型设计方法.焊管,1992,15(6):40~45
3,王先进,涂厚道.冷弯型钢生产及应用.北京:冶金工业出版社,1994:220~221
 


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